一種簡(jiǎn)易睡眠呼吸暫停檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

鐘 怡

（杭州市第一人民醫(yī)院城北院區(qū)（杭州市老年病醫(yī)院），杭州 310000）

睡眠呼吸暫停綜合征（SAS）指每晚7 h的睡眠中，每次發(fā)生呼吸暫停大于10 s，呼吸暫停反復(fù)發(fā)作大于30次，或者睡眠呼吸暫停低通氣指數(shù)（AHI）大于5次。一般分為三型：阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征OSAS、中樞性SAS和混和型SAS，以O(shè)SAS最常見(jiàn)[1]。

SAS作為一種近年來(lái)才被重視的疾病，經(jīng)各國(guó)的流行病學(xué)調(diào)查，都表明了睡眠呼吸暫停綜合征在人群中發(fā)病率比較高。其中最為常見(jiàn)的阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征發(fā)病原因有很多種，與家族遺傳、肥胖、性別、生活習(xí)慣、內(nèi)分泌與代謝性疾病等有密切關(guān)系[2]。

SAS患者睡眠時(shí)頻發(fā)睡眠暫停是由于呼吸道的阻塞、不全阻塞周期性反復(fù)出現(xiàn)，導(dǎo)致局部炎癥、呼吸器官的損傷。這些病理生理變化可能引發(fā)慢性阻塞性肺疾病、支氣管炎、肺心病、呼吸衰竭和夜間哮喘等[3]。

由此可見(jiàn)，睡眠呼吸暫停綜合征的危險(xiǎn)因素非常多，所以當(dāng)夜晚患者發(fā)生呼吸暫停時(shí)，醫(yī)護(hù)人員應(yīng)當(dāng)及時(shí)采取措施，否則將造成不堪設(shè)想的后果。因此，作者嘗試制作出一種便攜式，成本便宜的睡眠呼吸暫停檢測(cè)儀，以方便患者發(fā)病時(shí)能得到及時(shí)搶救。

1 睡眠呼吸暫停檢測(cè)儀的研究現(xiàn)狀

太原理工大學(xué)的白鳳娥等[4]采用了MSP430F149單片機(jī)作為控制核心，設(shè)計(jì)了一種體積小、低耗能、成本低的睡眠呼吸暫停監(jiān)護(hù)儀，并且是利用壓差型硅壓阻式傳感器26PCBFA6D來(lái)采集呼吸信號(hào)的。國(guó)外學(xué)者Giovanna等[5]設(shè)計(jì)出了一種十分廉價(jià)的便攜式的睡眠呼吸暫停監(jiān)護(hù)儀，利用心電圖可穿戴傳感器收集單通道ECG（electrocardiogram，心電圖）數(shù)據(jù)并發(fā)送到移動(dòng)設(shè)備，將該數(shù)據(jù)進(jìn)行HRV（Heart rate variability，心率變異性）分析，通過(guò)離線的微分進(jìn)化算法，進(jìn)行HRV-related參數(shù)計(jì)算，從而達(dá)到檢測(cè)睡眠呼吸的作用。2015年中國(guó)醫(yī)科大學(xué)的于璐等[6]嘗試著利用呼吸音來(lái)監(jiān)測(cè)呼吸，開(kāi)拓了一種新的呼吸信號(hào)檢測(cè)方法。2017年，R.E.Rolón等[7]學(xué)者還指出通過(guò)脈搏血氧測(cè)量呼吸信號(hào)是非常有價(jià)值的，可以用于估算低通氣指數(shù)。人的胸腔好似一段容積導(dǎo)體，當(dāng)人在呼吸的時(shí)候腹腔會(huì)有周期性的形變，而肺內(nèi)氣體的容量與呼吸阻抗有關(guān)，人呼吸時(shí)胸腔的輪廓在變，相應(yīng)地，呼吸阻抗也不斷變化，所以郭群恩等[8]研究出了利用阻抗法（包括恒流法、恒壓法和電橋法）的一種檢測(cè)方法。

另外，除了檢測(cè)呼吸信號(hào)的方式，有學(xué)者也對(duì)信號(hào)的傳輸方式作了研究。第四軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系和藥學(xué)系的申廣浩等[9]共同研究出了一個(gè)無(wú)線監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，其包括了社區(qū)監(jiān)護(hù)終端和家庭數(shù)據(jù)采集端。家庭數(shù)據(jù)采集端是將經(jīng)過(guò)調(diào)制后的呼吸信號(hào)通過(guò)ZigBee無(wú)線發(fā)送單元以射頻的方式來(lái)給到接收單元。社區(qū)監(jiān)護(hù)終端也是基于ZigBee的方式，CC243接收到數(shù)據(jù)信號(hào)后MAX232將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-232的標(biāo)準(zhǔn)電平，之后再通過(guò)RS-232向PC端輸入數(shù)據(jù)。運(yùn)用近程無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將呼吸信號(hào)進(jìn)行無(wú)線傳播。

2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

2.1 設(shè)計(jì)原理

本文是利用呼吸音檢測(cè)法（即音頻檢測(cè)法）采集呼吸信號(hào)的。呼吸音是人呼吸時(shí)，氣流通過(guò)呼吸道和肺泡，產(chǎn)生湍流引起振動(dòng)，發(fā)出聲響，通過(guò)肺組織及胸壁傳至體表的聲音，因此，可以把音頻傳感器放置于人體的鼻腔或口腔內(nèi)，可拾取氣流直接沖擊傳感器的聲音信號(hào)，或者放在胸前氣管處即可拾取氣管音信號(hào)，并且所得到的信號(hào)與氣流急緩有關(guān)。這種方法簡(jiǎn)單又安全。

2.2 系統(tǒng)硬件內(nèi)容設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)通過(guò)駐極體話筒采集到呼吸信號(hào)，將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)輸出，將該電壓信號(hào)通過(guò)三極管放大，輸入到LM393電壓比較器進(jìn)行波形處理，處理成方波波形，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入單片機(jī)，作為1個(gè)中央處理系統(tǒng)MCU，將由該信號(hào)判斷是否發(fā)生了睡眠呼吸暫停，若發(fā)生了超過(guò)10 s的呼吸暫停，則進(jìn)行聲光報(bào)警，同時(shí)將信號(hào)以方波的形式在TFT彩屏上顯示。此外，用電源給整個(gè)系統(tǒng)供電。系統(tǒng)整體流程圖如圖1所示。本系統(tǒng)涉及多個(gè)模塊，信號(hào)采集與預(yù)處理、報(bào)警單元、顯示部分等等。

圖1 系統(tǒng)內(nèi)容設(shè)計(jì)總流程

2.2.1 控制系統(tǒng)

在考慮了性能和成本等各方面的因素后，采用了51系列的STC12C5A60S2單片機(jī)，這款單片機(jī)和8051的指令、管腳完全兼容，而且片內(nèi)存在的大容量程序存儲(chǔ)器是FLASH工藝的，其低功耗、高速和抗干擾能力超強(qiáng)，并且集成度高，被廣泛應(yīng)用。

2.2.2 音頻信號(hào)采集

呼吸信號(hào)由音頻傳感器駐極體采集，由其作為1個(gè)電壓信號(hào)輸入系統(tǒng)。此次選用4015帶線駐極體咪頭，其體積小，可以安置在鼻孔中。但駐極體音頻采集過(guò)后的輸出電壓十分微弱，僅為毫伏級(jí)，需放大該微弱信號(hào)。信號(hào)放大電路的原理圖如圖2所示。由于對(duì)放大倍數(shù)及精度要求不高，所以采用了一級(jí)8050NPN三極管Q2，由其作為此電路中1個(gè)放大電路的主要部分。其中C4是去耦電容，其把輸出信號(hào)的干擾作為濾除對(duì)象。去耦電容用在放大電路中不需要交流的地方，用來(lái)消除自激，使放大器穩(wěn)定工作。去耦電容主要去除高頻如RF信號(hào)的干擾，C3起到的作用也是一樣的。此外，C2作為1個(gè)耦合電容用于隔離直流信號(hào)。

圖2 信號(hào)輸入單片機(jī)原理圖

2.2.3 信號(hào)波形處理

設(shè)計(jì)使用LM393芯片作為電壓比較器將輸出信號(hào)波形處理成同頻率的方波，其內(nèi)部是一個(gè)雙電壓比較器。當(dāng)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大濾波電路之后，直接連接LM393芯片，由于LM393是集電極開(kāi)路，所以在輸出端加了上拉電阻，使其能夠輸出高電平。當(dāng)無(wú)呼吸作用時(shí)，呼吸信號(hào)電壓Uo小于參考電壓Ur，輸出高電平。進(jìn)行呼吸交替觸發(fā)時(shí)，出現(xiàn)下降沿，呼吸信號(hào)電壓Uo大于參考電壓Ur，輸出低電平。低電平時(shí)液晶屏上不顯示方波，是一條直線，有呼吸作用時(shí)，代表呼吸信號(hào)觸發(fā)高電平，液晶屏上顯示方波波形。信號(hào)從LM393芯片出來(lái)后，進(jìn)入ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片上的DO端和DI端并聯(lián)在1根數(shù)據(jù)線上使用，因?yàn)镈I和DO作為數(shù)據(jù)端口在通信時(shí)并未同時(shí)有效并且和單片機(jī)的借口是雙向的，所以可以將其連接。這樣就完成了整個(gè)信號(hào)輸入的過(guò)程。

2.2.4 屏幕液晶顯示

液晶的顯示用TFT彩屏，分辨率為240×320像素，并且操作簡(jiǎn)單，其每一個(gè)像素點(diǎn)都是由集成在其后的薄膜晶體管來(lái)驅(qū)動(dòng)的，這樣不僅提高了顯示屏的響應(yīng)速度，同時(shí)可以精確控制顯示色階，所以TFT液晶的色彩更逼真。TFT液晶模塊可以顯示數(shù)字、中英文字符和圖案。彩色圖案分辨率較高。此次選用的TFT彩屏的型號(hào)是TJC3224T022_011N，只有4個(gè)引腳，只占用了單片機(jī)的2個(gè)I/O口，分別連接單片機(jī)的TXD發(fā)送數(shù)據(jù)引腳，RXD接收數(shù)據(jù)引腳。其只有2.2寸，與單片機(jī)連接，非常便于攜帶?？梢栽赨SART HMI[10]上位軟件上燒寫(xiě)固件，之后再對(duì)應(yīng)的輸入串口命令，就能在TFT彩屏上顯示方波波形。

2.2.5 報(bào)警單元設(shè)計(jì)

報(bào)警單元的功能是當(dāng)病人發(fā)生了呼吸暫停時(shí)，使患者自己能夠從睡眠中驚醒，或者患者周?chē)娜四軌蛲ㄟ^(guò)該報(bào)警及時(shí)發(fā)現(xiàn)病人的情況，以防患者出現(xiàn)意外。報(bào)警電路原理如圖3所示，其中8550PNP三極管Q1充當(dāng)1個(gè)開(kāi)關(guān)電路，圖3中Q1的1腳和2腳相當(dāng)于1個(gè)二極管，2腳為低電平時(shí)，1腳和3腳直接導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的作用。并且，電路采用了+5 V的蜂鳴器元件和紅色的LED燈元件。蜂鳴器發(fā)出的聲音刺耳且響亮，起到警示作用，而紅色LED燈亮代表正在報(bào)警的狀態(tài)。

圖3 報(bào)警電路原理圖

2.2.6 電源模塊

計(jì)算機(jī)的USB接口的輸出電壓都約為5 V[11]，而這次實(shí)驗(yàn)所有芯片的供電電壓都可以是5 V，所以，利用USB轉(zhuǎn)DC電源線和DC座給整個(gè)系統(tǒng)供電。

2.3 系統(tǒng)軟件內(nèi)容設(shè)計(jì)

2.3.1 主程序流程

主程序流程圖根據(jù)實(shí)驗(yàn)的總體需求來(lái)設(shè)計(jì)，如圖4所示，先檢測(cè)是否有呼吸信號(hào)輸入，檢測(cè)到的話直接向串口發(fā)送高波形，并且不作報(bào)警；沒(méi)有檢測(cè)到的話先直接向串口發(fā)送低波形，再繼續(xù)判斷沒(méi)有檢測(cè)到呼吸的時(shí)間是否超過(guò)了10 s，若沒(méi)有到達(dá)10 s則繼續(xù)檢測(cè)，若超過(guò)則進(jìn)行呼吸暫停報(bào)警。

圖4 主程序流程圖

2.3.2 顯示模塊

在USART HMI上位軟件上設(shè)計(jì)了TFT串口彩屏的界面，HMI串口的界面設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，其工具箱中自帶有曲線/波形的控件工具，所以直接利用該控件即可。曲線/波形控件具有從左向右的平移功能。先對(duì)串口屏進(jìn)行初始化，并定義字符串，拉低曲線。屏幕的整個(gè)橫向像素是0～240，正在呼吸時(shí)，即高電平觸發(fā)，向串口屏發(fā)送字符串，在液晶屏中上（像素的200處）的位置顯示“高波形”，沒(méi)有檢測(cè)到呼吸時(shí)，也同樣向串口屏發(fā)送字符串，在液晶屏中下（像素的100處）位置處顯示“低波形”。

2.3.3 AD轉(zhuǎn)換流程

使能芯片作用，產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，經(jīng)過(guò)通道選擇后，讀取值，再經(jīng)過(guò)比較后，輸出1個(gè)數(shù)字信號(hào)（圖5）。

圖5 AD模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序流程圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)睡眠呼吸暫停檢測(cè)儀，對(duì)儀器的原理學(xué)習(xí)、外觀設(shè)計(jì)和軟硬件實(shí)施進(jìn)行了研究探索，主要實(shí)現(xiàn)了呼吸的方波波形的顯示，同時(shí)還有一項(xiàng)在人發(fā)生睡眠呼吸暫停時(shí)報(bào)警的功能。這使測(cè)量更加方便，簡(jiǎn)潔。本儀器是以單片機(jī)為核心的，既降低了成本，又使用方便，而且測(cè)量準(zhǔn)確，重復(fù)性好，具有較好的使用前景。

本研究雖然基本實(shí)現(xiàn)了能夠在睡眠中檢測(cè)到呼吸信號(hào)并進(jìn)行監(jiān)護(hù)，但是還是存在一些問(wèn)題。使用的呼吸信號(hào)檢測(cè)方法是音頻檢測(cè)法（即駐極體話筒），雖然其靈敏度高并且能夠檢測(cè)到呼吸信號(hào)，但很容易受到外界聲音的干擾，盡管在安靜的夜晚中可以很好地進(jìn)行檢測(cè)，但若在一個(gè)嘈雜的環(huán)境中要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)還是有一定困難的。另外，本次實(shí)驗(yàn)是將傳感器放置在人的鼻孔中，對(duì)于一部分受試者來(lái)說(shuō)可能會(huì)有所不適應(yīng)，會(huì)感到難受，導(dǎo)致無(wú)法入睡，阻礙了實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，所以這也是以后需要克服的困難。并且要使儀器達(dá)到普遍適用的要求，還需要成千上萬(wàn)的受試者參與實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證儀器的適用性，所以?xún)x器的普遍性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。